Hace casi un siglo, el físico Erwin Schrödinger llamó la atención sobre una extrañeza en el mundo cuántico, que ha fascinado y preocupado a los investigadores desde entonces. Cuando las partículas cuánticas, como los átomos, interactúan, renuncian a su identidad individual en favor de un estado colectivo mayor y más extraño que la suma de sus partes. Este fenómeno se llama entrelazamiento.
Los investigadores tienen un conocimiento firme de cómo funciona el entrelazamiento en sistemas ideales con sólo unas pocas partículas. Pero el mundo real es más complejo. En grandes grupos de átomos, como los que forman las cosas que vemos y tocamos, las leyes de la física cuántica compiten con las leyes de la termodinámica y las cosas se complican.
A temperaturas muy bajas, el entrelazamiento puede extenderse a largas distancias, envolviendo muchos átomos y dando lugar a fenómenos extraños como la superconductividad. Pero si la temperatura aumenta, los átomos tiemblan, provocando que los frágiles enlaces que mantienen unidas las partículas entrelazadas se rompan.
Los físicos llevan mucho tiempo luchando por determinar los detalles de este proceso. Ahora, un equipo de cuatro investigadores ha llegado a esta conclusión. Probado El entrelazamiento no sólo se debilita a medida que aumenta la temperatura. Más bien, en los modelos matemáticos de sistemas cuánticos, como las series de átomos en materiales físicos, siempre hay una temperatura específica por encima de la cual el entrelazamiento desaparece por completo. «No es sólo que sea increíblemente pequeño», dice Ankur Moitra del MIT, uno de los autores del nuevo hallazgo. «Es cero».
Los investigadores habían notado previamente indicios de este comportamiento y lo llamaron «muerte súbita“El entrelazamiento cuántico no es sólo una excusa, pero la evidencia que han encontrado siempre ha sido indirecta. El nuevo descubrimiento, por el contrario, tiene la fuerza de una prueba matemática: demuestra la ausencia de entrelazamiento cuántico de una manera más completa y precisa.
Curiosamente, los cuatro investigadores que llegaron al nuevo resultado ni siquiera son físicos y su objetivo no era demostrar nada sobre el entrelazamiento. Más bien, son informáticos que tropezaron con la evidencia mientras desarrollaban un nuevo algoritmo.
Independientemente de sus intenciones, los resultados han entusiasmado a los investigadores en este campo. «Es una declaración muy poderosa», dijo un investigador. Sonon Choi«, físico del Instituto Tecnológico de Massachusetts. «Me gustó mucho».
encontrar equilibrio
El equipo hizo su descubrimiento mientras exploraba las capacidades teóricas de las futuras computadoras cuánticas: máquinas que explotarían el comportamiento cuántico, incluidos el entrelazamiento y la superposición, para realizar ciertos cálculos mucho más rápido que las computadoras clásicas que conocemos hoy.
Una de las aplicaciones más prometedoras de la computación cuántica es el estudio de la propia física cuántica. Supongamos que desea comprender el comportamiento de un sistema cuántico. Los investigadores primero deben desarrollar procedimientos o algoritmos específicos que las computadoras cuánticas puedan usar para responder sus preguntas.
Ewen Tang contribuyó a la creación de un nuevo algoritmo rápido para simular el comportamiento de algunos sistemas cuánticos a altas temperaturas.
Pero no todas las preguntas sobre sistemas cuánticos son fáciles de responder utilizando algoritmos cuánticos. Algunas de estas preguntas son igualmente fáciles para los algoritmos clásicos que se ejecutan en computadoras comunes, mientras que otras son difíciles tanto para los algoritmos clásicos como para los cuánticos.
Para comprender dónde podrían ofrecer una ventaja los algoritmos cuánticos y las computadoras que pueden ejecutarlos, los investigadores suelen analizar modelos matemáticos llamados sistemas de espín, que capturan el comportamiento fundamental de conjuntos de átomos que interactúan. Entonces podrían preguntar: ¿Qué hará el sistema de circulación cuando lo dejes solo a una temperatura determinada? El estado en el que se estabiliza, llamado equilibrio térmico, determina muchas de sus otras propiedades, por lo que los investigadores llevan mucho tiempo intentando desarrollar algoritmos para encontrar estados de equilibrio.
Que estos algoritmos realmente se beneficien de ser de naturaleza cuantitativa depende de la temperatura del sistema de espín en cuestión. A temperaturas muy altas, los algoritmos clásicos conocidos pueden realizar la tarea fácilmente. El problema se vuelve más difícil a medida que disminuye la temperatura y aumenta la fuerza de los fenómenos cuánticos. En algunos sistemas, se vuelven extremadamente difíciles de resolver incluso para las computadoras cuánticas en un período de tiempo razonable. Pero los detalles de todo esto siguen siendo vagos.
“¿Cuándo vas a un espacio donde necesitas lo cuántico y cuándo vas a un espacio donde lo cuántico ni siquiera te ayuda?” el dijo Ewen Tang«No sabemos mucho sobre esto», dijo un investigador de la UC Berkeley y uno de los autores del nuevo hallazgo.
En febrero, Tang y Moitra comenzaron a pensar en el problema del equilibrio térmico con otros dos científicos informáticos del MIT: un investigador postdoctoral llamado Aineesh Bakshi Un estudiante de posgrado en Moitra Allen LiuEn 2023, todos colaboraron en Algoritmo cuántico pionero Para una misión diferente que involucraba sistemas rotativos, buscaban un nuevo desafío.
«Cuando trabajamos juntos, las cosas van bien. Ha sido fantástico», dijo Bakshi.
Antes de su avance en 2023, los tres investigadores del MIT nunca habían trabajado en algoritmos cuánticos. Su experiencia fue en la teoría del aprendizaje, un subcampo de la informática que se centra en los algoritmos utilizados en el análisis estadístico. Pero al igual que las nuevas empresas ambiciosas en todas partes, vieron su relativa ingenuidad como una ventaja, una forma de ver el problema con nuevos ojos. «Uno de nuestros puntos fuertes es que no sabemos mucho sobre cuántica», dice Moitra. «El único cuanto que conocemos es el que nos enseñó Ewen».
El equipo decidió centrarse en temperaturas relativamente altas, ya que los investigadores sospechaban de algoritmos cuánticos rápidos, aunque nadie ha podido demostrarlo. Pronto encontraron una manera de adaptar una antigua técnica de teoría del aprendizaje a un nuevo algoritmo rápido. Pero mientras escribía su artículo, a otro equipo se le ocurrió la idea de que estos algoritmos podrían ser útiles para resolver este problema. Resultado similar: Prueba de ello Algoritmo prometedor Los productos desarrollados el año anterior habrían funcionado bien a temperaturas más altas. Ha sido barrido.
La muerte súbita renace
Tang y sus compañeros de equipo estaban un poco decepcionados de haber quedado en segundo lugar y comenzaron a corresponder con Álvaro rojoAlhambra, física del Instituto de Física Teórica de Madrid y una de las autoras del artículo competidor, quería conocer las diferencias entre sus hallazgos de forma independiente. Pero cuando Alhambra leyó un borrador inicial de la prueba de los cuatro investigadores, se sorprendió al descubrir que habían demostrado algo más en un paso intermedio: en cualquier sistema de espín en equilibrio térmico, el entrelazamiento desaparece completamente por encima de cierta temperatura. «Les dije: ‘Oh, esto es muy, muy importante'», dijo Alhambra.
